Što je zapravo život? Na to pitanje nije moguće dati konačan odgovor, no skupina znanstvenika pokušava ga barem ograničiti zakonima fizike. U novom radu objavljenom na otvorenom serveru arXiv, Pankaj Mehta sa Sveučilišta Boston i Jané Kondev sa Sveučilišta Brandeis istražuju kako se temeljne fizikalne konstante mogu primijeniti na život, i to ne samo onakav kakav poznajemo na Zemlji, nego i na potencijalne oblike života koji bi se mogli pojaviti u svemiru. Njihov pristup ne donosi odgovor na “konačno pitanje”, ali povezuje dvije discipline koje se rijetko promatraju zajedno, fiziku i biologiju.
Inspiraciju su pronašli u radu austrijsko-američkog fizičara Victora Weisskopfa, koji je 1970-ih izvodio svojstva materije polazeći od prvih principa, odnosno temeljnih fizikalnih konstanti. Međutim, u tim je razmatranjima izostavio jednu ključnu vrstu materije, život. Upravo su na tom mjestu Mehta i Kondev odlučili napraviti korak dalje.
Kako definirati život?
Prvi je izazov bio sama definicija života, što je među biolozima često predmet rasprava, piše Universe Today. Autori rada predlažu radnu definiciju prema kojoj je život “novi oblik samorganizirane tvari izvan ravnoteže, čija je osnovna značajka visokoprecizna samoreplikacija”. Drugim riječima, život se može shvatiti kao proces koji se stalno odvaja od okoliša u energetskom smislu i sposoban je za razmnožavanje.
Na toj osnovi definiraju tri temeljna svojstva života.
Prvo svojstvo je prinos rasta (growth yield), odnosno količina biomase koju je moguće proizvesti po jedinici energije, obično izražena u džulima.
Drugo je minimalno vrijeme udvostručenja (minimum doubling time), odnosno najkraće vrijeme u kojem se populacija nekog organizma može udvostručiti.
Treće svojstvo je minimalna potrošnja energije u mirovanju (Minimum Power Consumption in Dormancy), koja označava količinu energije potrebnu da bi se život održao odvojenim od okoliša i očuvao vlastitu strukturu protiv stalnog djelovanja entropije, sukladno Drugom zakonu termodinamike.
Fizikalne konstante i granice života
Prema autorima, sva tri navedena svojstva mogu se izvesti iz temeljnih konstanti svemira, zakona kvantne teorije i termodinamike. Na kvantnoj razini konstante poput Planckove konstante, mase elektrona, mase protona i brzine svjetlosti određuju veličine poput Bohr-ova radijusa (prosječna veličina atoma) ili Rydbergove energije (energija elektrona). Termodinamičke vrijednosti proizlaze iz Boltzmannove konstante i temperature, dok se vremenske ljestvice biološke replikacije mogu odrediti kombinacijom kvantnih i toplinskih konstanti.
Za prinos rasta, autori izračunavaju idealiziranu vrijednost temeljenu na masi protona, masi elektrona, brzini svjetlosti i finoj strukturi konstante, koja opisuje jačinu elektromagnetske interakcije između čestica.
Kako prenosi Universe Today, znanstvenici su izračunali da bi “savršeni” život, prema fizikalnim konstantama, mogao iz jedne joule energije proizvesti tek oko milijuntinku grama biomase. U stvarnosti, kod života temeljenog na ugljiku, dakle kod nas i svih poznatih organizama na Zemlji, taj je prinos tisuću puta veći. Drugim riječima, vrijednosti za ugljikom temeljen život, poput onog na Zemlji, veće su od idealiziranog teorijskog izračuna, ali se dobro podudaraju s onim što pokazuju eksperimentalna mjerenja.
Kod minimalnog vremena udvostručenja postoje dva ograničavajuća faktora. Ako energije ima u izobilju, granica je brzina biokemijskih reakcija koje omogućuju dijeljenje stanica. Ako energije nedostaje, ograničenje je brzina kojom organizam može prikupljati energiju za razmnožavanje. Model pokazuje da bakterije u idealnim uvjetima mogu udvostručiti broj u nekoliko stotina sekundi, dok u siromašnim uvjetima to može potrajati od nekoliko desetaka dana do više stotina godina.
Treće svojstvo opisuje energiju koju stanica mora trošiti i kada ne raste i ne dijeli se. Stanica stalno održava razliku između svoje unutrašnjosti i okoline, tzv. ionski gradijent, koji se polako gubi jer ioni spontano prolaze kroz sitne pore u membrani nastale toplinskim oscilacijama. Procjena je da za to jednoj stanici treba oko 3×10⁻¹⁵ vata energije, a laboratorijska mjerenja daju vrijednosti reda 10⁻¹⁶ vata po stanici. Pojedinačno je to iznimno malo, ali kada se zbroje sve stanice u ljudskom tijelu, ukupna potrošnja iznosi reda desetinke vata, što je tek mali dio ukupne snage koju organizam troši u mirovanju.
Usporedba teorijskih i eksperimentalnih vrijednosti potvrđuje da fizikalne konstante doista postavljaju granice osnovnim biološkim procesima. Prema Mehti i Kondevu, njihov okvir nije samo teorijsko razmišljanje već i koristan alat: može pomoći u razumijevanju kako život funkcionira u našem svemiru te poslužiti u potrazi za oblicima života koji se razlikuju od zemaljskih.
Na taj način autori proširuju Weisskopfovu viziju objašnjavanja svemira polazeći od prvih principa. Iako univerzalno značenje života i dalje ostaje otvoreno pitanje, čini se da barem njegova osnovna obilježja nisu izvan dosega zakona fizike.
Ivan je novinar i autor koji piše o znanosti, svemiru i povijesti. Gostuje kao stručni sugovornik na Science Discovery i History Channelu te piše za Večernji list. Osnivač je Kozmos.hr, prvog hrvatskog portala posvećenog popularizaciji znanosti.
